Computing
Kunnen Perovskieten de sleutel tot fotonische computing zijn?
Van Zonne-energie naar Fotonic
Perovskieten zijn een nieuw type materiaal dat steeds vaker wordt onderzocht vanwege het potentieel voor zonne-energie. Halfgeleiderkristallen zouden zelfs krachtiger kunnen zijn in het omzetten van licht naar elektriciteit dan traditionele op silicium gebaseerde zonnepanelen.
Bron: iRocks
Dit is een mogelijke manier om de zonnepaneeltechnologie te verbeteren, waar we over spraken in “The Solar Age—A Bright Future To Mankind”. Het lijkt er nu op dat perovskieten mogelijk kunnen concurreren met silicium in een ander gebied: computing.
Naarmate traditionele siliciumprocessoren steeds kleiner worden, zoekt de industrie naar manieren om berekeningen anders uit te voeren. Een dergelijke overwogen methode is fotonic, waarbij licht in plaats van elektriciteit de drager van gegevens is voor het uitvoeren van de berekening. Op deze manier kan de berekening plaatsvinden met de snelheid van het licht, waardoor de behoefte aan evenveel transistors als bij traditionele elektronische berekeningen wordt verminderd.
Om dit te doen, omvat de voorgestelde methode voor het bouwen van fotonische computersystemen laser‑gebaseerde nanoschaalmanipulatie van silicium en betere licht‑naar‑geluid conversiesystemen.
De meeste fotonische technologie is aanvankelijk gericht op op silicium gebaseerde oplossingen, aangezien dit verreweg het materiaal is dat het best wordt begrepen door de chipfabricage‑industrie.
Desondanks zou het logisch zijn dat perovskieten, een materiaal dat bekend staat om zijn vermogen om zowel licht als elektriciteit tegelijk te verwerken, een uitstekende basis vormen voor fotonische computing.
Perovskietkristallen naar Wens Vormgeven
Dit was de redenering die werd gevolgd door onderzoekers aan de Faculteit Fysica van de Universiteit van Warschau in samenwerking met andere instellingen uit Polen, Italië, IJsland en Australië. Om de weg vrij te maken voor meer vooruitgang in perovskiet‑gebaseerde fotonica, ontwikkelden ze een methode om perovskietkristallen nauwkeurig te “snijden”. Ze beschreven hun methode in een artikel getiteld “Predesigned perovskite crystal waveguides for room-temperature exciton–polariton condensation and edge lasing”.
Het materiaal dat ze gebruikten is een type perovskiet genaamd CsPbBr3 (cesium‑lood‑bromide). Het heeft een groot potentieel voor optische toepassingen, dankzij de lage energie die nodig is voor niet‑lineaire lichtversterking. Dit betekent dat dit materiaal licht kan versterken en moduleren met zeer weinig energieverbruik, een van de belangrijkste voordelen van fotonica ten opzichte van elektronica.
Hun methode slaagde erin om CsPbBr3‑kristallen in elke vorm te maken, van eenvoudige hoeken tot gladde krommen. Iets dat normaal zeer moeilijk te bereiken is in de kristallografie.
Bovendien kunnen deze kristallen op elk substraat worden geproduceerd, waardoor ze compatibel zijn met bestaande fotonische apparaten. Dus, hoewel innovatief, vereisen ze niet de ontwikkeling van een geheel nieuw vakgebied binnen de fotonische technologie om bruikbaar te worden.
Hoe ze het deden
Veel van de methoden die de onderzoekers gebruikten om de perovskietkristallen te laten groeien, zijn afgeleid van methoden die bekend zijn in de halfgeleiderindustrie. Ze gebruiken bijvoorbeeld nauwkeurig gecontroleerde oplossingsconcentraties en groeitemperaturen, terwijl ze een atmosfeer van verzadigde dampen van het oplosmiddel handhaven.
Vervolgens gebruikten ze bijna atomaire gladde galliumarsenide‑templates die gemaakt zijn met electron‑beam lithografie en plasma‑etsen. Galliumarsenide is een bekend materiaal, met name gebruikt in de productie van LED‑licht.
Met een microfluïdische aanpak slaagden ze erin het kristal te laten groeien in smalle polymeermallen die met elke vorm van een template kunnen worden afgedrukt.
Wat kunnen fotonische perovskieten doen?
Vermogensregeling over Licht
De kristallen toonden ook sterke niet‑lineaire optische effecten. Niet‑lineaire optica stelt ons in staat de kleur en vorm van een lichtstraal in ruimte en tijd te veranderen en de kortste gebeurtenissen ooit door de mens te creëren — alle fenomenen die zeer nuttig zijn voor fotonische berekeningen.
Quantum Effecten
Het licht dat door het perovskietkristal wordt uitgezonden, wordt geproduceerd door een zeer speciale materietoestand die een Bose‑Einstein‑condensaat wordt genoemd.
Bron: UCSB Physics Department
Dit is de 5de toestand van materie (naast vast, gas, vloeistof en plasma) waarin veel atomen zich als een golf kunnen gedragen in plaats van als gewone materie. In die zin laat dit meerdere atomen zich gedragen zoals normaal alleen sub‑atomische deeltjes dat kunnen, waardoor quantum‑effecten zichtbaar worden op bijna macroscopische schaal.
Deze toestand van de perovskietkristallen creëerde een exciton‑polariton‑condensaat, een specifiek subtype van Bose‑Einstein‑condensaat.
Dus, de waargenomen niet‑lineaire effecten zijn waarschijnlijk gekoppeld aan interacties binnen het condensaat.
Dankzij de unieke eigenschappen van perovskietstructuren kan het condensaat over lange afstanden binnen de kristallen reizen, en kan het uitgezonden licht zich voortplanten door luchtgaten naar naburige structuren.
Dr. Helgi Sigurðsson – Faculty of Physics University of Warsaw
Het kunnen creëren en naar believen manipuleren van deze Bose‑Einstein‑condensaten geeft wetenschappers de mogelijkheid om licht zeer nauwkeurig uit te zenden en te verstrooien.
Dit zal zeer nuttig zijn voor de ontwikkeling van betrouwbare en high‑performance fotonische chips.
Simulaties voor Betere Voorspelling
Het onderzoeksartikel legt ook uit hoe ze, dankzij complexe berekeningen, een simulatie konden maken van 3D‑structuren met complexe vormen, en hun impact op fotonische modi en laten zien hoe hun afbeelding ontstaat.
“De ontdekking maakt hun gebruik mogelijk in compacte “on‑chip” systemen die zowel klassieke als quantum‑computingtaken aankunnen.
We voorspellen dat onze ontdekkingen de deur zullen openen naar toekomstige apparaten die kunnen opereren op het niveau van enkele fotonen, waarbij nanolasers worden geïntegreerd met golfgeleiders en andere elementen op één enkele chip.
Prof. Michał Matuszewski – Center for Theoretical Physics of the Polish Academy of Sciences
Dus, toekomstig werk zal in staat zijn optische effecten te voorspellen die nuttig zijn voor fotonica en datatransmissie zonder elektrische signalen.
Toekomstige Toepassingen
Fotonisch‑Quantumcomputer
Een belangrijk voordeel van het gebruik van deze ontdekkingen op perovskieten is dat deze kristallen bij kamertemperatuur kunnen worden gebruikt.
Dit is zeer belangrijk, aangezien de effecten van Bose‑Einstein‑condensaten normaal alleen waarneembaar zijn bij temperaturen net boven het absolute nulpunt. Dit maakt ze uiteraard veel minder praktisch en bruikbaar voor enige “normale” computing.
Dit zou ook de grens tussen quantum computing en fotonica kunnen vervagen, met mogelijk toekomstige computersystemen die beide tegelijk gebruiken.
Dit omvat zeer geavanceerde concepten zoals niet‑lineaire fotonica als golfgeleiders, couplers, splitters en modulators.
Silicon‑Perovskieten Computing
Een andere eigenschap van deze nieuw fijn afgestemde perovskietkristallen is hun compatibiliteit met siliconen‑ en galliumarsenide‑substraten. Ze kunnen dus gemakkelijk worden gecombineerd met bestaande siliconen‑ en andere materiaal‑halfgeleidertechnologieën.
Dit zou de kloof tussen de huidige computeringtechnologie en de adoptie van fotonica aanzienlijk kunnen verkleinen, waarbij fotonica eerst wordt ontwikkeld en geadopteerd voor beperkte toepassingen, in plaats van eerst een geheel nieuw type parallelle technologische set nodig te hebben.
Investeren in Perovskiet & Fotonic
Dankzij bestaande toepassingen in zonne‑energie en computing kunnen perovskieten en fotonica al worden geïnvesteerd, zelfs als ze zich nog aan de rand van de materiaalkunde en computerinnovatie bevinden.
U kunt in fotonische bedrijven investeren via vele brokers, en u kunt hier, op securities.io, onze aanbevelingen vinden voor de beste brokers in de VS, Canada, Australië, en het VK, en ook in vele andere landen.
Als u niet geïnteresseerd bent in het selecteren van specifieke fotonische bedrijven, kunt u ook kijken naar ETF’s zoals Global X Cloud Computing ETF (CLOU), Defiance Quantum ETF (QTUM), of ProShares Nanotechnology ETF (TINY) die een meer gediversifieerde blootstelling bieden om te profiteren van de fotonische industrie.
U kunt ook ons artikel lezen over de “Top 10 Non‑Silicon Computing Companies”.
Fotonische Bedrijven
1. JABIL
(JBL )
Aan het einde van 2023 besloot Intel zijn fotonische business af te stoten naar de halfgeleiderfabrikant Jabil (JBL).
Meer precies, verwierf het Intel’s siliconen‑fotonische transceiver‑technologie, die de kloof kan overbruggen tussen optische signalen en elektronische signalen op siliconen.
“De modules van Intel worden gebruikt om Ethernet‑switches in grote datacenters te verbinden, maar naarmate de vraag naar bandbreedte toeneemt, verwacht het bedrijf dat siliconen‑fotonica, samengepakt met switch‑ASIC’s, de benodigde bandbreedtedichtheid zal leveren om toekomstige datacenternetwerken op te schalen.
Jabil is uitzonderlijk goed gepositioneerd om klanten te ondersteunen terwijl ze innovatieve technologieën in hun datacenters integreren om de toenemende eisen rond vermogen en koeling, gedreven door kunstmatige intelligentie, te navigeren.
Matt Crowley, Jabil’s senior VP of cloud and enterprise infrastructure
Dit bracht extra IP naar de fotonische afdeling van het bedrijf, die al fotonische‑gebaseerde technologieën commercialiseert:
- Fiber‑bevestigingsoplossingen: actieve uitlijning, passieve uitlijning, enkele fiber, fiber‑array.
- Assemblage‑oplossingen: pick‑and‑place, die‑bond, wire‑bond, flip‑chip, reflow.
- Epoxy‑toepassing en -beheer: selectie, karakterisering, dispensatie.
- Encapsulatie‑oplossingen: gold‑box, dam‑and‑fill, glob‑top.
- Free‑space‑optica: lenzen/lenzen‑arrays, beam‑shapers, splitters, diffusers, waveguides.
Jabil heeft een gediversifieerde business, met miljardenomzet van autofabrikanten, gezondheidszorg & verpakkingen, industriële bedrijven, 5G‑wireless, enz. Voor een totaal van $27,5 miljard omzet in 2024.
Het bedrijf zou enorm kunnen profiteren van betere fotonische technologie, gezien haar reeds bestaande rol in het produceren van splitters, shapers, enz. voor lichtarrays.
De Intel‑IP zou ook kunnen helpen de kloof te overbruggen tussen silicium en het licht dat door perovskietkristallen wordt uitgezonden.
Naarmate de vraag naar chip‑interconnecties groeit voor AI‑toepassingen, zou dit de eerste grote doorbraak van fotonica kunnen zijn, met een rol in het koppelen van (nog steeds) silicium‑gebaseerde computing aan fotonica‑gebaseerde optische netwerken.
2. II-VI Marlow / Coherent
(COHR )
Coherent is een groot industrieel conglomeraat met 26.000+ werknemers en een leider in lasertechnologie, voortgekomen uit de fusie van geavanceerd materiaal II‑VI Marlow met laserfabrikant Coherent.
Het bedrijf is een expert in geavanceerde materialen die worden gebruikt in lasers, optica en fotonica, zoals indiumfosfide, epitaxiale wafers en galliumarsenide.
Het groeide grotendeels dankzij meerdere overnames in het afgelopen decennium.
Bron: Coherent
Het bedrijf haalt 29 % van zijn omzet uit lasers, met de rest gekoppeld aan gerelateerde apparatuur zoals optische vezels, elektronica en instrumentatie.
Bron: Coherent
De aanwezigheid van het bedrijf in geavanceerde materialen zoals thermofotovoltaïsche (waar we we bespraken in een eerder artikel), siliciumcarbide, lasers en elektronica helpt het profiteren van structurele trends zoals de groei van precisieproductie, additive manufacturing (3D‑printen), elektrificatie en hernieuwbare energieën.
Het bedrijf heeft recentelijk zijn siliciumcarbide‑business gesplitst in een nieuwe entiteit, voor 75 % eigendom van Coherent, met de rest gelijk verdeeld tussen haar partners Mitsubishi Electric (die siliciumcarbide‑power‑IP levert) en Denso (die haar activiteit als automobiele leverancier op het gebied van elektrificatie en vermogens‑halfgeleiders brengt).
